基于C8051F340的機載武器測控系統(tǒng)設計

摘要：為了實現(xiàn)對某型機栽武器測控的需求，利用C8051F340單片機和HS3282芯片設計了ARINC429總線和計算機RS-232總線的接口轉換電路，通過C語言設計了單片機固件程序，實現(xiàn)了串并數(shù)據(jù)的轉換與傳輸以及數(shù)據(jù)傳輸速率和字長的設置。最后利用VB語言編寫了PC端武器測控系統(tǒng)軟件，對串口數(shù)據(jù)進行解碼和發(fā)送，實現(xiàn)了對武器系統(tǒng)的實時檢測和控制。實際應用表明，該系統(tǒng)具有測試結果實時準確、響應命令迅速無誤的特點，可滿足外場測試的需求。

現(xiàn)代戰(zhàn)機配備有空空導彈、空地導彈、制導炸彈、航空炮彈等多種武器系統(tǒng)，目前飛控系統(tǒng)與機載武器系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的總線主要有：ARI NC429總線、1553B總線、RS422總線等。ARINC429是專為航空電子系統(tǒng)通訊規(guī)定的航空工業(yè)標準;它是航空通訊設備最常用的數(shù)據(jù)接口之一，不僅應用于民用航空領域如空客A310/A320、A330/A340飛機，波音727、737、747、757和767飛機.也廣泛應用于機載武器系統(tǒng)，如“鷹擊-81”空艦導彈機載系統(tǒng)的232H機載雷達、ZJ-9指揮儀、210多普勒導航系統(tǒng)、HZX-5航向姿態(tài)系統(tǒng)、8415大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和622自動飛行控制系統(tǒng)均采用ARINC429總線連接。某型武器同樣采用ARINC429總線與飛控系統(tǒng)進行通信，為了利用計算機模擬飛控系統(tǒng)對該武器進行現(xiàn)場監(jiān)測和控制，需要實現(xiàn)計算機與武器系統(tǒng)的ARINC429接口通信，傳統(tǒng)的方法是在計算機中擴展一個基于ISA或PCI總線的ARINC429卡，這種轉換卡往往價格昂貴，不同計算機采用總線結構不同也會降低ARINC429卡的通用性，轉換卡通信方式的配置也較為固定化，不利于自主編程，在沒有配備ARINC429卡的計算機上就無法實現(xiàn)對武器系統(tǒng)的測控。

為了解決上述問題，使計算機能夠與武器系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，文中利用C8051F340作為主控芯片，實現(xiàn)了RS232/ARINC429的接口轉換，上位機對接收到的轉換后的串口數(shù)據(jù)進行解碼，能實時顯示武器系統(tǒng)狀態(tài)，上位機以串口形式發(fā)送操控命令給下位機，下位機接收命令后通過HS3282芯片轉換為ARINC429格式數(shù)據(jù)發(fā)送給武器系統(tǒng)，在獲得武器系統(tǒng)響應后將結果反饋給上位機。

1 總體設計

測控系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，機載武器系統(tǒng)采用ARINC429總線，32位字長通信，計算機采用RS232總線，為了建立武器系統(tǒng)與測控計算機之間的通信，測控計算機RS232串行數(shù)據(jù)經(jīng)電平轉換芯片轉換為TTL電平后與C8051F340單片機建立異步串口通信，單片機在接收到4個8位串口數(shù)據(jù)后，通過I/O口將串行數(shù)據(jù)轉換為2個16位并行數(shù)據(jù)，429轉換芯片HS3282內部為16位數(shù)據(jù)總線;分兩次讀取單片機16個I/O口數(shù)據(jù)，構成32位ARINC429串行數(shù)據(jù)的低16位和高16位，由于HS3282FIFO中可存8個429數(shù)據(jù)字，因此單片機可連續(xù)接收32個8位串行數(shù)據(jù)，轉換為16個16位的并行數(shù)據(jù)給HS3282，HS3282將16個16位并行數(shù)據(jù)轉換為8個429數(shù)據(jù)字儲存到FIFO中，經(jīng)單片機控制，一次發(fā)送8個ARINC429串行數(shù)據(jù)作為一個通信幀。反之，HS3282可將32位的429數(shù)據(jù)轉換為2個16位并行數(shù)據(jù)，單片機分兩次讀取后，轉換為4個8位串行數(shù)據(jù)，經(jīng)電平轉換后傳輸給計算機。計算機端武器測控系統(tǒng)軟件，對串行數(shù)據(jù)進行解碼后得到武器系統(tǒng)相應的狀態(tài)和反饋信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)以C8051F340為控制核心，C8051F340單片機由美國Silicon Labs公司設計;指令速度可以高達48 MIPS，擁有40個I/O口，能夠滿足串并數(shù)據(jù)轉換的處理速度和控制引腳的數(shù)量要求。

HS3282芯片是intersil公司生產(chǎn)的CMOS ARINC總線接口電路，滿足ABINC429規(guī)范的要求。供電電壓+5 V，內部包含相互獨立工作的2個接收器和1個發(fā)送器。接收端可直接與429總線相連，發(fā)送端配合HS3182電平驅動芯片轉換為429電平。由于篇幅所限，其相關控制和指示引腳參見相關手冊。

單片機與HS-3282的連接關系如圖2所示。

單片機與HS-3282均為5 V電壓供電。

由于C8051F410單片機P4的I/O口不可位尋址，為了便于編程和識別，單片機P2.0-P2.7引腳分別接HS-3282的BD0-BD7口，P3.0-P3.7引腳接BD8-BD15，用于傳輸和接收16位的并口數(shù)據(jù)。P0口專門連接HS-3282的控制和狀態(tài)指示引腳。C8051F410單片機異步串行通信口只能配置在P0.4和P0.5口，因此P0.4和P0.5用與串口通信，外接232電平轉換芯片。

HS3282除了與單片機相關引腳連接外，D429DI1(A)和429DI1(B)口用于連接武器系統(tǒng)的429總線，clk引腳用來外接有源晶振，根據(jù)芯片手冊要求，這里外接1 MHz的有源晶振。

HS3282輸出信號為TTL電平，為了將信號電壓抬升至符合ARINIC429總線要求的標準，通過專用的HS3182驅動芯片與之配合。需外接+15 V和-15 V，本文采用了開關電源供電，可滿足系統(tǒng)功耗要求。HS3282輸出的429差分信號經(jīng)HS3182驅動后，通過引腳Aout和Bout與武器系統(tǒng)進行429通信。

Ca和Cb根據(jù)429通信速率的高低外接不同的高精度電容。100 kB通信速率時為75 pF，低于14.5 kB通信速率時為300 pF。

單片機的串口使用TTL電平標準，它的邏輯1電平是5 V，邏輯0電平是0 V，而電腦串行口所使用的是RS232C的電平標準，它的邏輯1電平是-3～12 V，邏輯0電平是+3～+12 V。兩者的電平范圍相差很遠，連接時需要用到電平轉換電路。本文采用商用的MAX3232芯片組成電平轉換電路，如圖4所示。

MAX3232外接極性電容值均為0.1μF。MAX3232對兩路TTL電平進行轉換，本文使用了其中一路。T1IN接單片機串口發(fā)送，R1OUT接單片機串口接收引腳。T1OUT接電腦串口接收引腳，R1IN接電腦串口發(fā)送引腳。

3 測控系統(tǒng)軟件設計

該測控系統(tǒng)的軟件分為單片機固件程序和上位機程序2部分。

單片機固件程序實現(xiàn)單片機和接口芯片寄存器初始化配置、數(shù)據(jù)格式轉換、接收和發(fā)送控制等功能。利用到了單片機的中斷系統(tǒng)、通用I/O口、定時器和串口UART0。固件程序目的在于實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與429數(shù)據(jù)的轉換、接收和發(fā)送，從而建立上位機程序與武器系統(tǒng)之間的通信。

上位機程序采用VB語言編寫，通過RS-232串口與單片機通信?？砂l(fā)送測控命令給武器系統(tǒng)，同時能實時反饋武器系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

單片機固件程序，是測控系統(tǒng)軟件設計的核心。其主要功能是將上位機命令轉換為ARINC429格式數(shù)據(jù)，按照一定幀周期發(fā)送給武器系統(tǒng)，并能將武器系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)轉換為RS232串口數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，從而能夠實時監(jiān)測武器系統(tǒng)工作狀態(tài)。

初始配置，用于初始化單片機和HS3282相關寄存器，對IO口進行配置和定義。

根據(jù)硬件連接關系，為方便程序操作，對IO口做定義如下。

根據(jù)武器系統(tǒng)通信要求，配置ARINC429通信速率100 kb/s，32位有效數(shù)字，奇校驗，并關閉自測功能。根據(jù)芯片手冊說明，程序設計如下

時鐘產(chǎn)生模塊由單片機定時器實現(xiàn)，單片機定時器配置為50 ms一次中斷，在中斷服務程序中一次性發(fā)送8個32位的429數(shù)據(jù)，構成一個數(shù)據(jù)幀，從而實現(xiàn)50 ms的幀速率。

串并轉換模塊，對4個8位串口數(shù)據(jù)和32位ARINC429數(shù)據(jù)進行轉換。單片機在接收到4個8位串口數(shù)據(jù)后，依次排列，按照從低位到高位的順序，分兩次輸出到16個IO口，HS3282讀取并口數(shù)據(jù)并儲存在FIFO中，組成一個32位的ARINC429數(shù)據(jù)。429總線數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，當DR1口為低電平時，觸發(fā)外部中斷服務程序，程序分兩次對16個IO口進行讀取后將數(shù)據(jù)儲存在一個8位數(shù)據(jù)數(shù)組中，當數(shù)組元素達到32個時，完成一次429幀周期的數(shù)據(jù)讀取，此時在外部中斷程序中以查詢發(fā)送的方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。

收發(fā)控制模塊對發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以及命令數(shù)據(jù)的改變進行合理時序安排，單片機未接收上位機命令時，以50 ms的幀周期，發(fā)送默認查詢命令給武器系統(tǒng)，當收到1個幀周期的反饋數(shù)據(jù)后，將32位格式的ARINC數(shù)據(jù)分割為4個8位數(shù)據(jù)，通過UART0發(fā)送至上位機。當收到上位機命令時，進入串口中斷，對命令數(shù)據(jù)進行解析后，改變相應的發(fā)送數(shù)據(jù)，以50 ms的幀周期發(fā)送操作命令給武器系統(tǒng)，得到系統(tǒng)操作反饋信息后通過串口發(fā)送至上位機。

串口通信模塊，可實時接收武器系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)。機載武器系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)對象，往往不是以單個數(shù)據(jù)為單位的，而是一組長度固定的數(shù)據(jù)，其中每一個數(shù)據(jù)包含著不同的地址信息和數(shù)據(jù)信息。這里我們稱這組數(shù)據(jù)為一個數(shù)據(jù)幀，單片機在收完一個數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)后才將數(shù)據(jù)反饋給上位機;上位機通過串口發(fā)送相應操作命令給單片機，單片機通過串口接收中斷接受命令，改變發(fā)送的命令數(shù)據(jù)，從而對武器系統(tǒng)進行相關操作。

ARINC429標準數(shù)據(jù)與HS3282數(shù)據(jù)對應位關系如圖6所示。

可以看出，ARINC429數(shù)據(jù)標號位與正常順序正好相反，要先發(fā)送高位后發(fā)送低位。ARINC429數(shù)據(jù)的高3位要后移至8-10位，發(fā)送和讀取相應32位的ARINC數(shù)據(jù)時，要對相應位的數(shù)據(jù)進行移位和反轉操作。

單片機固件程序流程圖如圖7所示。

上位機程序，采用VB語言編寫了人機交互界面，如圖8所示。利用MSComm控件，建立PC機與單片機之間的串口通信。

發(fā)送命令時，上位機通過串口一次性發(fā)送32個8位數(shù)據(jù)給單片機，單片機將數(shù)據(jù)組合為8個32位的ARINC429數(shù)據(jù)，構成一個數(shù)據(jù)幀，在定時器的中斷服務程序中，依次存入HS3282的FIFO中后，啟動發(fā)送，可一次性發(fā)送8個429格式數(shù)據(jù)給武器系統(tǒng)。

接收武器系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)時，上位機程序通過檢測不同的標志位，可分離出8個不同的429數(shù)據(jù)。根據(jù)HS3282的2個高低16位數(shù)據(jù)與標準ARIN C429數(shù)據(jù)位對應關系，解析出相關武器系統(tǒng)工作信息，顯示在人機界面當中。

上位機串口配置程序如下：

則InStrRev (BytReceived;'A0')返回1，InStrRev (BytReceived;'A1')返回9，每4個8位字符構成一個32位的ARINC429數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)的后2個8位數(shù)據(jù)對應標準ARINC429數(shù)據(jù)的14到29位。程序通過對標志位數(shù)據(jù)搜索，確定數(shù)據(jù)位位置后，每組后2個數(shù)據(jù)位進行位解析和數(shù)據(jù)組合，可獲得武器系統(tǒng)的相關信息。

4 實驗應用

該測控系統(tǒng)用于某型機載武器的外場測試;其測控內容涵蓋了機彈接口、部件性能、舵機系統(tǒng)等多個方面。測控主要界面如圖9所示。

進行測試時，首先要給武器系統(tǒng)和單片機依次上電，單片機加電后自動發(fā)送自檢命令給武器系統(tǒng)。系統(tǒng)正常后，測控界面相關指示燈變綠。若出現(xiàn)異常，則相應異常部分指示燈變紅。若自檢結果一切正常，則可設置模擬目標給武器系統(tǒng)，通過系統(tǒng)供氣，解鎖，以及引信解保，完成武器系統(tǒng)一個戰(zhàn)斗過程的完整測試。該測控系統(tǒng)也可對舵機發(fā)送相關控制指令，改變武器舵機的方位和俯仰角。舵機實時姿態(tài)信息，通過右側的方位角和俯仰角文本控件實時顯示。

本測控系統(tǒng)已應用于武器系統(tǒng)掛載前的外場測試，實踐表明該系統(tǒng)測試結果準確、穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了系統(tǒng)的經(jīng)濟化、小型化，也提高了系統(tǒng)的通用性和便攜性。

5 結論

該測控系統(tǒng)采用C8051F340配合專用的接口轉換芯片HS3282建立計算機與武器系統(tǒng)之間的通信，利用VB語言編寫了上位機測控系統(tǒng)軟件，以單片機為主控芯片，解決了RS232-與ARINC429接口的轉換問題，實現(xiàn)了武器系統(tǒng)信息的實時反饋和上位機對武器系統(tǒng)的模擬操控。在多次外場測試中，順利實現(xiàn)了武器掛載前的檢測。實際應用表明該測控系統(tǒng)具有測試準確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。